伺服电机控制能否代替步进电机控制交流伺服与步进的区别差异

发布时间：2024-02-06 15:13:11   来源：博亿堂娱乐官方网站

  电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特征是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

  交流伺服电动机的结构主要可分为两部分，即定子部分和转子部分。其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同，在定子铁心中也安放着空间互成90度电角度的两相绕组。其中一组为激磁绕组，另一组为控制绕组，交流伺服电动机是一种两相的交流电动机。 交流伺服电动机使用时，激磁绕组两端施加恒定的激磁电压Uf，控制绕组两端施加控制电压Uk。当定子绕组加上电压后，伺服电动机很快就会转动起来。 通入励磁绕组及控制绕组的电流在电机内产生一个旋转磁场，旋转磁场的转向决定了电机的转向，当任意一个绕组上所加的电压反相时，旋转磁场的方向就发生改变，电机的方向也发生改变。

  步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，是现代数字程序控制管理系统中的主要执行元件，应用极为广泛。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。能够最终靠控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以经过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，进而达到调速的目的。

  步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。

  虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制管理系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业相关知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，大范围的应用在各种自动化控制管理系统中。随微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

  在具体应用场合，当终端负载稳定、动作简单、基本为低速运转时，选用成本低且容易控制的步进电机最为合适；但当终端负载波动范围较大、动作简单、基本为低速运转时，若选择了步进电机，则会面临一系列烦恼，因为采用方波驱动的步进电机难以消除振动和噪音，并会因为力矩波动而产生失步或过冲。实际上，当终端负载波动范围较大时，即便基本为低速运转状态，也应该选用伺服电机，因为考虑了功效提高因素、节能因素、控制精度提高因素、系统稳定性增加等因素之后，会发现选用价格较高的伺服电机反而提高了综合成本。

  1、为了保证控制管理系统改变不大，应选用数字式伺服系统，可仍采用原来的脉冲控制方式；

  2、由于伺服电机的过载能力强，可以参照原步进电机额定输出扭矩的1/3来确定伺服电机的额定扭矩；

  3、因为伺服电机的额定转速比步进电机要高得多，最好增加减速装置，让伺服电机工作在接近额定转速下， 这样也可以再一次进行选择功率更小的电机，以降低成本。

  1、小体积高功效：采用最新永磁材料及优化电机设计，使体积较小的电机也能产生很大的扭矩。同一型号电机与不同的驱动器匹配时，最大输出扭矩不同；一样体积电机采用不一样绕组形式、不同磁极数时，输出功率也不相同；

  1.步进电机、伺服电机都是控制电机，大多数都用在精密定位控制用途。特别是伺服电机，数控系统常用电机。通常用控制器+驱动器+伺服（步进）电机+联轴器+丝杠副+导轨不需要减速器的，因为伺服和步进速度根据脉冲频率能大范围调节速度。

  3.伺服，步进都是用于定位使用情况下，比如，从原点以一定的速度运动到10mm再到25mm停止返回。

  4.二者都是特种电机，都能精确控制速度。但是二者控制速度的原理不同：伺服电机是闭环控制（通过编码器反馈等完成），即会实时测定电机的速度；步进电机是开环控制，输入一个脉冲步进电机就会转过一固定的角度，但是不对速度进行测定。

  交流伺服电机与步进电机的主要区别是步进电机是开环（没编码器）控制，如果负载过大或有卡阻会丢步，伺服电机是闭环控制（有编码器），不会出现丢步的情况，稳定性和精度更高。

  步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制管理系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也慢慢变得多地应用于数字控制管理系统中。为了适应数字控制的发展的新趋势，运动控制管理系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。

  两相混合式步进电机步距角一般为3.6、 1.8，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、0.072、0.036，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。

  交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360/10000=0.036。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/131072=9.89秒。是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。

  步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。

  交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不可能会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。

  步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。

  步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因没有这种过载能力，在选型时为客服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。

  步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，正常情况下不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。

  步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

  综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制管理系统的设计过程中要考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。